Немного электротехники

Если включить все конфорки на электроплите, то через медный кабель сечением 6 квадратов течёт 32...40 ампер. Да, это под 9 киловатт (а не 95W десктопного процессора), потому что напряжение-то 230 вольт, а не 1.2 (P = U * I). Но меди не важно напряжение, она "видит" только ток. И плита на этих 32 амперах страшно печёт не потому, что 32 ампера, а потому что "32 ампера через большое сопротивление конфорки". 32 ампера без сопротивления - это только магнитное поле, а через сопротивление - ещё и тепло. Но без сопротивления в конфорке, по меди потекли бы токи на порядок больше - эти токи ограничивались бы сопротивлением меди, которое ниже. Напряжение - это как давление воды, 230 вольт нужно только затем, чтобы пропихнуть электроны через сопротивлящуюся конфорку и получить бытовой профит с того, как прикольно кристаллическая решётка нихрома этому сопротивляется с выделением тепла. Но меди в кабеле до плиты локально в моменте не важно напряжение, ей важен только ток в амперах (величина напряжения волнует только пользователя этого кабеля: когда пробьёт изоляцию).

Этот абзац нужен для понимания того, что 500 ампер - это уже сечение 185 кв мм (если не хотим нагрева меди), такую палку не всякий рукой согнёт и закапывают её сильные мужики с экскаватором. А как же процессор-то выдерживает?

Откуда вообще набегает 500 ампер

В процессоре нанометровые транзисторы, которые к тому же полевые: управляются не током (как биполярные), а напряжением. Вся цепь из них в любом логическом состоянии ток пропускать не должна: CMOS - это пары транзисторов, меняющие состояние "выхода" этой пары с "напряжение" на "земля" и в этой паре один всегда закрыт, ток чреез неё течь не должен. Откуда натекает 500 ампер? А натекает в основном на паразитных эффектах:

• если на затвор полевого транзистора подать напряжение, то это напряжение сначала потратит немного энергии на натекание электронов в обкладки всяких паразитных конденсаторов вокруг данной конструкции, а потом электроны натекут в сам затвор, что тоже можно назвать паразитной ёмкостью. Подать напряжение на что-то - это не абстрактное событие: у этого "чего-то" всегда есть объём, по которому физическое состояние этого "чего-то" со скоростью света (не быстрее) на этот весь объём должно распространиться.

• приколы CMOS-технологии: CMOS - это пары полевых транзисторов, где открытие одного означает закрытие другого и ток через пару никогда не течёт. Но только в идеальном мире. Во время переключения, оба транзистора на наносекунду слегка приоткрыты одновременно и возникает кратковременное КЗ питания на землю.

• токи утечки: слои изоляции тонкие, электроны туннелируют - это выедает 20-30% всего тока; и через закрытый полевик тоже сочится.

CPU - это губка с миллиардами микроскопических пор для тока.

Почему не сгорают проволочки

Все же помнят знаменитые картинки и видосы (https://www.youtube.com/shorts/mQP9J4iYYtA), как кусок кремния внутри микросхемы припаян к выводам этой микросхемы? Ну там такие тонкие золотые проволочки. Это же сколько надо таких нитей от предохранителя, чтобы они вывезли 500 ампер и не испарились?

Так в серьёзных CPU уже не делают: нет там уже никаких нитей. На финальном этапе техпроцесса, на последней лицевой (верхней по ходу техпроцесса) плоскости чипа фирмируют буквально проводящие выводы, торчащие наверх. Формируют структуру, задачи которой вывести из чипа проводники так, чтобы за эти проводники чип можно было посадить на контактную площадку (корпус микросхемы) этими выводами вниз (как микросхему на шарики припоя), чтобы эти проводники не диффундировали с глубокими структурами этого кремниевого изделия и чтобы от температурных расширений ничего не оторвало и чтобы могло выжрать 500 ампер.

Сначала действительно паяли на оловянные шарики (bumps) - называлось C4 (Controlled Collapse Chip Connection). Controlled Collapse - это типа "самовыравнивающиеся" или "контролируемая осадка": чип клали шариками вниз на текстолит с контактными площадками и нагревали: капиллярные силы и форма шариков делали "автоматически-природно" так, что при жидком припое чип не падал на площадки до конца а пружинил на шариках (шарики не прорывало), а при остывании шариков они самоцентрировались на площадках и чип идеально выравнивался хором этих капиллярных сил. Похоже на пайку BGA (Ball Grid Array — массив шариков) микросхем. Использовался высокосвинцовый припой (обычно 95% свинца (Pb) и 5% олова (Sn)) - такое плавится при 300 градусах, но не плавится при более низкой температуре во время припайки самой микросхемы куда-либо далее. Шарики были по ~150 микрометров с шагом по ~200 мкм между ними.

Далее, число выводов расло и хотели давать больше тока. Упёрлись в эти свинцовые шарики: плотность шариков повысить тяжело, начинают слипаться при пайке, а при росте тока электромиграция выбивает атомы припоя и формирует пустоты с повышением сопротивления контакта. Ещё экологи начали давить запретом свинца (RoHS), а без свинца состав не работал механически нормально - "пружинящее самоцентрирование" ломалось. К 2001 IBM придумала (а Intel внедрила в 2006) медные столбики - Copper Pillars. На кремнии сначала делают слой UBM (Under Bump Metallization) - слой титана/вольфрама и меди для адгезии, потом гальванически выращивается медный цилиндр ~40 мкм, потом тонкий слой никеля (защищает от миграции олова в медь - образуются хрупкие интерметаллиды), и далее оловянная шапочка (заметно меньше того свинцового шарика).

Теперь медные столбики держат высоту (осадка только на величину оловянной шапочки) и заодно они - хороший теплопровод. Тока один мелкий медный столбик держит больше, чем более крупный оловянный шарик.

Здесь совсем не рассмотрен вопрос отвода тепла, компенсации температурных расширений и так далее: как сделать так, чтобы тело кремниевого чипа могло жарить и остывать, не срывая данную конструкцию - отдельная инженерная тема: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_copper_pillar_bump

Сегодня шаг между медными столбиками уменьшают, их размеры падают, происходит отказ от припоя вообще с полировкой поверхности столбиков и сращиванием их с другими кристаллами на молекулярном уровне: https://semiengineering.com/scaling-bump-pitches-in-advanced-packaging/

Про 500 ампер

В современном чипе уровня 10 поколения intel cpu, число медных столбиков на поверхности доходит до 10 тысяч, шаг между ними ~70мкм. Столбиками чип кладут на interposer - кусок многослойного текстолита, занятый разветвлением контактов от этих столбиков до плоских контактных площадок условного LGA1200. На картинке далее чип лежит мордой (медными столбиками) вниз на interposer, на котором напечатано "L901A266" и видны разветвления внутри. В центре видим "спину" чипа. Показан не современный CPU, но наглядно виден imposter.

В чипе для современных сокетов типа LGA1200 или LGA1700, из одной контактной площадки LGA в сам кремний связь идёт параллельно по 5..20 медным столбикам. Это не фиксировано: какой-то контакт питающий, а какой-то сигнальный. А на сокете LGA1200 из 1200 контактов большинство - питание. Одна контактная плодащка держит ток в районе 400mA. По материнской плате ток к LGA сокету подводится жирными медными шинами сразу к группам из сотен LGA контактов. От одной LGA площадки на нижней части текстолитовой подложки идёт дерево из многочисленных медных дорожек к многочисленным столбикам. Итого: сотни ампер сначала дробятся на 500 "силовых" LGA контактов (по 0.4A каждый, допустим), а от каждого LGA контакта ток дробится ещё на порядка 10 столбиков - получаем ~40mA на медный столбик. Для такого сечения меди, как у столбика, 40mA - много по меркам электротехники, но много если бы мы из такого сечения делали длинный кабель, но ничтожная высота столбика не даёт заметного сопротивления. Кстати, ещё прикол про эти контактные площадки: где-то читал, что в PCI 5.0 вокруг сигнальной площадки кругом стоят экранирующие площадки: что-то типа коаксиального разьёма формируют?

Я наврал: через LGA1200 токи по 500 ампер не текут, 500 ампер и более - это более жаркое серверное Xeon-подобное многоядерное железо. Но 250 вполне течёт и от этого не легче. Да и про серверные я наврал - там и 1500 ампер бывает.

Блок питания и материнка

Этот вопрос серьёзно рассматривать не будем, но вкратце картина выглядит так. От БП в материнскую плату заходит 12V (остальные линии процессору не нужны) с током 20-50 ампер. Такой ток можно пропихнуть по нескольким параллельно идущим медным проводникам гуманного сечения в пучке (вспомните, что жёлтых проводков из БП идёт не один - внутри БП они запаяны в одну медную шину). На материнской плате в качестве потребителя этих 12V сидит несколько DC-DC понижающих преобразователей, физически вокруг сокета LGA. Район расположения каждого из них можно узнать по квадратной радиодетальке 15*15мм - это ферритовый дроссель. Каждый такой преобразователь можно называть "фаза" по аналогии с трёхфазной розеткой 380, поскольку импульсы тока эти дроссели от своих мосфетов получают со сдвигом относительно друг друга. Одна фаза - это классический DC-DC преобразователь из полевика, его ШИМ-контроллера и дросселя, ШИМ молотит на высокой частоте до 1 МГц. Но если поставить таких DC-DC преобразователей несколько и сдвинуть фазу ШИМ-импульсов между ними так, чтобы импульсы шли друг за другом по кругу, то получается распределить мощность между несколькими DC-DC преобразователями и заметно сгладить эти мегагерцовые пульсации с точки зрения потребителя (CPU) до условно 6-мегагерцовых, но учитывая множество напаянных мелких конденсаторов вокруг всей этой сетки LGA-выводов, оно сглаживается дополнительно. VRM это всё называется - Voltage Regulator Module.

Входящие 12V понижаются набором DC-DC преобразователей до процессорных ~1.2V. Процессор иногда просит VRM держать напряжение и ниже, если хочет спать. От VRM до процессора расстояние заметно короче, а медные шины в материнской плате толще. Суммарно CPU наедает тока до 1.5К ампер в прыжке, зачем и нужны жирные медные шины в материнской плате и отчего по линии 12V из ATX блока питания выедаются десятки ампер. Здесь можно почитать про понятие мощности, которая вычисляется как P = I * U, подумать как с падением напряжения при той же мощности повышается ток в проводнике, подумать про рекордную линию ЛЭП Экибастуз-Кокшетау в Казахстане во времена СССР и зачем там миллион вольт, но погружаться в доведение этой физики до умозрительно понятной в этой статье ресурсов нет.

При чём тут Большой Адронный Коллайдер?

При том, что там народ по-взрослому с токами умеет работать. Вообще очень интересно почитать, как сделаны электромагниты БАК, как сделан этот адский кабель, из которого сделана обмотка магнита. Интересно подумать о том, что даже если медный кабель поменять на что-то, у чего вообще нет сопротивления, то бесконечный ток через эту конструкцию тоже пустить не получается по разным причинам. Обмотки постоянных электромагнитов в БАК сделаны из плоского кабеля, который сплетён из множества нитей NbTi, охлаждённого до наступления в этом NbTi сверхпроводимости. И всё равно больше 11850 ампер по нему пускать не могут. А предствляете как 11850 ампер в магните включают и выключают? А ещё алюминевые заводы заставляют содрогаться настоящего электрика.

Может поднять напругу на процессоре до 5 вольт и понизить токи?

Попытка дёрнуться в эту сторону - все нанометровые структуры будут пробиты, а токи утечек сильно вырастут. Толщина диэлектрика - 1-2 нанометра - пробьёт уже при 1.5 вольтах. А токи утечек при росте напряжения растут экспоненциально. Опускаешь напряжение ниже этих 1.2 - транзисторы ведут себя нестабильно, повышаешь - их пробивает.